如狂野西部的美国水处理和水质分析
在美国，每一家水务企业都需要了解联邦和州的法律，以及适用于水处理系统的相关标准。美国的水务企业还应该了解饮用水法规的执行方式，并且充分理解为什么遵守法规对于向公众提供安全的饮用水至关重要。本文很详细地概括介绍了美国水质监管和水质分析检测发展的历史，对于我国同行而言也是一个比较有阅读价值的“历史”读本。
在1900年代早期，美国并没有进行大量的水或污水检测，更不用说水处理了。对水媒细菌和疾病之间的联系知之甚少，痢疾等细菌感染是死亡的主要原因，特别是在儿童和人口稠密地区。
在20世纪初，大多数人仍然用公用的杯子分享集中水井里的水。内部管道远未普及，农村地区基本没有；如果它确实存在，它更多被用来输送污水或用于灭火。直到1908年9月26日，内科医生约翰·里尔和卫生工程师乔治·沃伦·富勒在新泽西州的布恩顿水库开始使用氯化法，消毒剂才开始在水处理中广泛使用。随着美国开始建立水政策框架，通过了立法，要求对影响公众健康的污染物进行水质监测。
这是Opflow“水务企业需要知道”系列的两篇文章中的第一篇，该系列将研究美国水质法规的历史以及保护公共健康和环境的努力。后续文章将近期在“净水技术”微信订阅号上推出，继续讨论并确定差距和未来的政策需求。
标准化水质分析
美国的《水和污水检测标准方法》（标准方法）现已出版第24版，首次出版于1905年，代表了几代专家在记录和标准化数百种水质测定分析技术方面的努力（图1）。标准方法始于19世纪80年代，是美国科学促进会（AAAS）化学分会的一项运动。1889年委员会的一份报告涵盖了五个主题：游离氨和类白蛋白氨、耗氧量、总氮、硝酸盐和亚硝酸盐以及结果说明。1887年，美国公共卫生协会（APHA）提出了研究和区分细菌种类的程序。1899年，APHA任命水分析标准方法委员会将化学方法添加到1887年AAAS报告中。117页的委员会报告发表于1905年，现在被认为是标准方法的第一版。
从初次报告开始，每一版都经历了例行修订，在每一个连续的版本中都有新的和修订的方法（图1）。1925年，AWWA与APHA一起出版了第六版《标准方法》，1936年，污水处理工程协会联合会——现在的水环境联合会（WEF）——与APHA和AWWA一起出版了第八版《标准方法》。1947年，WEF与APHA和AWWA成为出版伙伴，并由一个联合编辑委员会代表两个协会进行协调，直到今天。70多年来，这种三个组织的方法将水和污水行业与公共卫生行业在方法标准化方面联系在一起。
在检查标准方法中包含的方法时，人们可以注意到第14版（1975）中的显著变化。在这里，所有方法都结合在一起，没有对水的“类型”进行分离，并且根据成分或特性（例如金属、有机物、微生物）将方法分为几个部分。然而，标准方法的前几版和后几版之间的显著变化是1970年美国环境保护局（EPA）成立以及《安全饮用水法案》和《清洁水法》规定的水质分析方法颁布的影响。这个由两部分组成的系列文章将简要研究这两部历史性的法律，以及它们在水检测中发挥的作用和自EPA成立以来创建的水检测行业。
美国水处理的早期
美国早期的水处理和水质分析就像是蛮荒的西部。对水质如何影响公共健康和环境的理解还处于初级阶段，在此期间，人们初步认识到疾病爆发与水质之间的联系。其他值得注意的里程碑包括保护通航水域的规定、标准方法的形成以及首次氯化消毒。
芝加哥，1837-1900年。1837年，芝加哥成立了全国第一个卫生委员会，以应对霍乱的爆发，但当时还不知道这是一种水传播疾病。随着城市的发展，疾病的发生并没有减少。1855年，美国第一个市政污水系统开始建设。
这有所帮助，但在之前未经处理的污水直接流入芝加哥河，流入该市的水源密歇根湖。一旦人们认识到这将产生一系列公共卫生后果，1887年就做出了逆转河水流向的决定，该项目涉及一个复杂的船闸系统，并于1900年完成。这项工程壮举有效地将受污染的水转移到密西西比河和墨西哥湾。
河流和港口法案(1899年)。《河流与港口法》是第一部保护美国水资源的法律。RHA规定向美国通航水域排放任何污水(垃圾)以及改变水流路线都是非法的。RHA由美国陆军工程兵团管理。
利尔和富勒开始氯化消毒(1908年)。20世纪早期的远见者，内科医生约翰·里尔和卫生工程师乔治·沃伦·富勒，在将公共卫生与水和污水处理联系起来方面具有创新性。他们开发了大规模使用的过滤装置，并于1908年在新泽西州的Little Falls开发/安装了第一个氯化系统。
在利尔和富勒在随后的诉讼中成功地证明了该系统的优势后，氯化法的使用在全国范围内变得广泛，他们的工作被认为消除了伤寒和其他水传播疾病。利尔曾担任APHA的副总统，富勒曾担任APHA和AWWA的总统。富勒也是致力于出版标准方法第一版的细菌学家小组委员会的成员。
行业对水质越来越感兴趣，1948-1959。在水质法规和分析的早期成就之后，第二次世界大战后的时代见证了更高程度的公众兴趣和关注。为了减少污染，更好地保护公众健康，并寻求对水中污染物的更多了解，采取了公共和私人举措。几个主要的战后事件发生了，导致全面的联邦授权。
联邦水污染控制法案(1948年)。尽管1899年的RHA是第一部联邦环境法，但联邦水污染控制法案(FWPCA)是美国第一部旨在通过减少污染来改善水质的主要环境法。该法案指示美国各州制定水质标准和机制，以资助全国水处理设施的建设。FWPCA没有有效地减少污染，也没有给联邦政府足够的权力来影响变化。然而，它被修改了六次，并最终在1972年成为《洁净水法案》。
美国公共卫生实验室研究(1951-1955年)。20世纪50年代初，辛辛那提罗伯特·阿尔方索·塔夫脱中心的一组科学家进行了一系列测试，检测饮用水、俄亥俄河和炼油厂附近湖泊的地表水的有机化合物。这些测试包括让5000-20000加仑的水通过一个含有1500克碳的大型碳过滤器。然后用乙醚萃取该过滤器，对萃取物进行经典定性分析，然后进行红外光谱分析。
1951年《分析化学》中的一篇文章(https://pubs . ACS . org/doi/10.1021/AC 60056 a 031)揭示了测试结果，“首次可以研究供水中微量有机化学物质的影响，涉及:(1)水中令人不快的味道和气味的原因和处理，(2)河流中的工业废物污染，(3)水生植物和动物的生长和腐烂造成的污染，以及(4)对人类或动物可能的生物或毒性影响。”美国石油协会研究(20世纪50年代)。炼油厂能有效地将石油转化为汽油、柴油和沥青等产品。但是对于典型的300，000桶/天的炼油厂，产生了1%的含油废副产品，总计3，000桶或475，000升/天。
早在1949年，石油工业就认识到需要控制污水中的污染物。1933年，第一台美国石油协会(API)分离器安装在费城的一家炼油厂，这是一种重力分离设备，利用斯托克斯定律根据油滴的密度和大小来分离油滴。
到20世纪50年代初，炼油厂污水API委员会开始发表关于测量污水中污染物的文章。这项工作扩展了塔夫脱中心化学家们的工作，加入了定量组件。委员会成员重点研究使用红外光谱测量碳氢化合物，使用比色法测量酚类，以及使用质谱法(不含气相色谱法)测量水中低至10 μg/L的石油产品。该方法包括使用氢气从水中剥离化合物，然后将蒸汽捕获在液氮捕集器中。这项工作标志着有机污染物研究的迅速发展和分析方法的发展。
环境意识与联邦指令
到了20世纪60年代，水质很重要的观点越来越被广泛接受。1962年，雷切尔·卡森的《寂静的春天》一书的出版让广大读者了解了过量使用杀虫剂对环境的危害。当时,《标准方法》已经是第11版了，私人研究正在推动对水中污染物的了解，Leal和Fuller对氯化法的实施已经风靡全国。在接下来的二十年里，如图1和图2所示，环境保护局成立了，联邦立法的大规模改革塑造了我们今天所知道的产业现状。
水质法案(1965年)。《水质法案》( WQA)旨在通过强制要求各州制定水道水质标准来弥补1948年《联邦水污染控制法》的不足。这个目标在1970年实现了。
凯霍加河大火(1969年)。1969年6月22日，凯霍加河着火，引发了关于污染的全国性辩论，并成为我们今天所知的环境法的推动因素之一。火灾的发生是因为俄亥俄州克利夫兰的工业中心将未经处理的废物直接排放到河里。当一列火车的火花点燃了在河面上形成的浮油时，大火开始燃烧了近30分钟，火焰达到了五层楼的高度。全国媒体的报道促成了接下来五年的四项基础立法，包括环保署的成立。
国家环境政策法案(1970年)。人们越来越关注污染对环境的影响，理查德·尼克松总统要求国会提供更多的资金，进行更多的研究，并制定更严格的标准。他还致力于确保联邦项目和机构优先考虑环境影响。《国家环境政策法案》( NEPA)于1970年1月1日签署成为法律，从而创建了一个新的机构来负责这些新的环境目标。
根据环境保护局的说法，NEPA的基本政策是确保政府的所有部门在采取任何对环境有重大影响的重大联邦行动之前，对环境问题给予适当的考虑。第一任环境保护局局长威廉·鲁克尔斯豪斯于1970年12月4日开始履行职责。
《洁净水法案》( 1972年)及其后续修正案。新成立的环境保护局要实施的第一批主要立法之一是《洁净水法案》。这标志着国会在1974年将水立法分为污水法和安全饮用水法。《洁净水法案》建立了管理向美国水域排放污染物和管理地表水水质标准的基本结构。它采用了1948年的《公平竞争法》,并通过几项修正案扩大了其监管范围和能力。此外，它建立了国家污染物排放消除系统(NPDES)许可程序，该程序从点源(如污水排放)控制污染物。
要求和期限。《洁净水法案》确立了几个重要的要求和期限。要求市政设施在1977年7月1日前达到二级处理标准。
工业设施需要达到两个层次的技术标准:目前可获得的最佳可行控制技术(BPT)和经济上可实现的最佳可行技术(BAT)，这将使它们进一步实现消除所有污染物排放的目标。BPT和最佳现有技术的遵守截止日期分别为1977年7月1日和1983年7月1日。除了《BPT公约》和《最佳可得技术》对工业类别的要求之外，《洁净水法案》还建立了新的水源水质标准或最佳可得示范控制技术，包括在可行的情况下允许“无污染物排放”的标准NPDES允许。从1973年到1975年发放的第一轮NPDES许可证集中在“常规污染物”上，这些污染物通常存在于家庭、商业和工业的生活垃圾中。以下物质被正式指定为常规污染物：
五日生化需氧量
悬浮固体总量
pH值
粪大肠菌群
油和油脂
美国环境保护署同意法令和优先污染物清单（1976年）。1976年6月7日，一项涉及环境保护局和几个关注环境的原告（自然资源保护委员会、环境保护基金、商人公益组织、国家奥杜邦协会和公民争取更好环境组织）的法庭和解协议被称为环境保护局同意令。这些团体起诉环境保护局未能执行《联邦水污染控制法》的部分条款。诉讼的一个结果是要求环境保护局公布一份有毒污染物的清单，对这些有毒污染物需要基于技术的排放限制和指导方针。
同意法令规定，环境保护局局长“制定并颁布法规，这些法规应确立并要求在最早的可能颁布日期（但在任何情况下不得晚于1983年6月30日）实现对该类别或类别的最佳可得技术（BAT）点源类别的污水限制和指导方针。”同意法令还要求对21个工业类别实施新的污染源执行标准和预处理标准。此外，环境保护局决定将公有处理厂作为一个单独的类别进行审查。
同意法令将NPDES计划的重点从控制常规污染物转移到控制有毒污染物的排放，并导致了环境保护局方法的迅速发展。一旦确定了优先污染物，就有可能制定分析策略。优先污染物被分为九类，这九类污染物继续影响着美国环保署对污染物的分类方法：
金属
石棉
总氰化物
农药
在酸性条件下提取的化合物
在碱性条件下提取的化合物
中性可提取化合物
总酚
可清除化合物（也称为挥发物）
第一个EPA GC-MS方法（20世纪70年代）。在开展这些活动的同时，环境保护局的化学家们试图解决一些与痕量污染物分析相关的技术问题。早在1970年，美国环保署的研究人员就开始使用气相色谱-质谱（GC-MS）分析有机污染物。GC-MS已被证明可以在许多不同的基质中和干扰化合物存在的情况下识别多种化合物。以前对水源和饮用水样本的经验表明，水中的许多化合物可以在1 μg/L的水平上被识别和半定量。因此，建议将10微克/升作为工业污水的合理目标。
这些早期的气相色谱-质谱方法是由美国环境保护署于1979年提出的方法608（农药和多氯联苯）、624（挥发物）和625（半挥发物），最终规则于1984年颁布。收到的对拟议规则的评论包括“GC/MS不是，也永远不可能是一种定量技术。”在规则制定期间，环境保护局利用带有各种检测器的气相或液相色谱对这些拟议的方法和一些替代的有机方法进行了实验室间研究。在这个规则制定中，环境保护局还提出并采用了方法检测极限的计算程序。优先污染物清单是环境保护局在20世纪70年代和80年代制定的许多分析物清单中的第一份，它为有针对性和无针对性的分析以及挥发物、半挥发物和杀虫剂的分析技术开辟了道路，几乎所有其他未来的环境保护局项目都复制了这些分析技术。
洁净水法案修正案（1977年）。1977年《洁净水法案修正案》调整了技术标准，以反映向有毒物质控制的转变，澄清并扩展了最佳可得技术控制的概念，为常规污染物创造了新的控制水平，并做出了监管变化以加强工业预处理计划。1977年的法律创造了一个新的污染物类别:非常规污染物。这包括污染物，如氯、氨、氮、磷、化学需氧量和整个污水的毒性，没有具体分类为常规或有毒。《洁净水法案》的法规被编入联邦法规的四个主要领域，如表1所示。
操作人员需要了解历史正如本文所述，对于操作人员来说，了解方法标准化的由来以及为保护公众健康和环境而进行的水质管理工作非常重要。第二篇文章将涵盖1974年的《安全饮用水法案》，讨论随后的联邦法案和主要规则，并考虑美国水质监管和分析的未来。
